路基顶面铺设不同土工合成材料对路面结构的影响试验分析

张 杰，孙志国

(黑龙江省公路勘察设计院哈龙江分院)

1 试验方案简介

方案1——在土基顶面铺设钢丝纤维网，方案2——在土基顶面铺设土工格栅，方案3——在土基顶面铺设双层不透水土工布。在加载测试位置所对应的土基顶面(即土工合成材料底部)埋设压力盒，以观测土基顶面压力随荷载变化以及应力消散情况。路面结构示意如图1所示。

图1 试验路结构示意图

模拟现场情况，土基顶面的模量控制在不超过30MPa。在土工合成材料铺设完毕后，填土5cm，测试填土的回弹模量，并记录加载过程中压力的变化情况。在填土上铺筑18cm的级配碎石，分三层摊铺碾压。每铺设一层(6cm厚)均测试顶面回弹模量、塑性变形和压力值。

2 试验结果分析

2.1 不同土工合成材料对顶面回弹模量的影响

不同填土厚度下，铺设钢丝纤维网的各结构层整体强度大于铺设土工格栅和双层不透水土工布时的各结构层。但在填土厚度较薄(亦即上覆压力较小)时，不论铺设何种土工合成材料，对整体强度的改善并不明显。因此，土工合成材料的铺设应选择合适的层位，以确保土工合成材料承受足够的上覆压力。

三种不同试验方案的土工合成材料各填层顶面的回弹模量如表1所示，各试验方案中不同填层顶面的回弹模量变化曲线如图2所示。

顶面回弹模量可充分反映各结构层的整体强度，从测试结果的表1与图2可以看出:各试验方案的不同土工合成材料对各填层顶面回弹模量增长的贡献由大到小排序为钢丝纤维网、土工格栅、双层不透水土工布。

2.2 不同土工合成材料对顶面塑性变形的影响

三种不同土工合成材料试验方案的一个共同点是随着填土厚度的增加，测试顶面的塑性变形(不可恢复的变形)逐渐减小，厚度较小时变化幅度较大。

表1 不同土工合成材料各填层顶面回弹模量MPa

图2 不同土工合成材料各填层顶面回弹模量变化曲线

钢丝纤维网在填土厚度较小时(5cm)，塑性变形随荷载水平呈曲线变化，而随填土厚度的增加(11～23cm)，基本以直线的形式变化。这是由于钢丝纤维网的纵向和横向强度均较大，变形较小而引起的。

随着填土厚度的增加，土工格栅抵抗变形的能力逐渐接近钢丝纤维网，在适宜的填土厚度下，低水平荷载时，甚至要优于钢丝纤维网。但在较高的荷载水平下，较钢丝纤维网仍有一定的差距。

总体而言，土工布在抵抗塑性变形方面作用较小。在抵抗塑性变形方面，钢丝纤维网在较高的荷载水平下能够发挥更大的优越性，在较低的荷载水平下，土工格栅和钢丝纤维网抵抗变形的能力相差不大。

三种不同土工合成材料试验方案在0.3MPa荷载作用下各填层顶面的塑性变形如表2所示，各试验方案中不同填层顶面的塑性变形变化曲线如图3所示。

表2 在0.3MPa荷载作用下各填层顶面的塑性变形(0.01mm)

图3 不同土工合成材料在0.3MPa荷载下各填层顶面塑性变形变化曲线

从表2和图3中可以看出，在5cm填厚时，方案1顶面的塑性变形明显小于方案2和方案3，其值为方案2的61％，方案3的34％左右。随填厚的增加，方案1和方案2的顶面塑性变形的差别逐渐减小。填厚23cm时，方案1的塑性变形为方案2的82％，方案1的62％。这意味着，相对于土工格栅和土工布，钢丝纤维网能够有效地抑制基层顶面塑性变形;但这种抵抗塑性变形的效果随着路面结构厚度的增加而逐渐减弱。

从抵抗基层顶面的塑性变形的角度而言，在荷载水平较低时，土工格栅方案的性能和钢丝纤维网方案相近，在较高的荷载水平下，钢丝纤维网方案的性能要优于土工格栅，这两种方案均优于铺设双层不透水土工布。

2.3 不同土工合成材料对顶面塑性变形的影响

不论在土基顶面铺设何种土工合成材料，随着填土厚度的增加土基顶面的压应力逐渐减小。但这种变化不是线性的，初期变化较大，后期较不明显。

三种不同土工合成材料试验方案在0.3MPa荷载作用下各填层顶面的压力变化如表3所示，各试验方案中不同填层顶面的压力变化曲线如图4所示。

从表3和图4中可以看出，在5cm填厚时，三种方案下土基顶面应力的差别不是特别明显，两种方案的最大差异只有3％。随着填厚的增加，这种差别逐渐增大，在填厚23cm时，钢丝纤维网的应力消散能力比土工布大10.7％，比土工格栅大4.3％。这也充分说明了钢丝纤维网只有在上层能够提供足够大压力的情况下才能充分发挥作用。从土基顶面的应力消散情况看，在上层压力较小的情况下，钢丝纤维网并不能充分发挥作用。但随着填层厚度的增加，钢丝纤维网的应力消散大于土工格栅，而土工格栅又大于双层不透水土工布。

表3 不同土工合成材料在0.3MPa荷载作用下各填层顶面的压力值

图4 不同土工合成材料在0.3MPa荷载下各填层顶面压力变化曲线

3 结语

通过室内加载模拟试验，在路基顶面铺设三种不同的土工合成材料对路基顶面的作用数据表明，在回弹模量、塑性变形、压力消散三个方面，都说明铺设钢丝纤维网为最有利，而铺设土工格栅次之，铺设双层不透水土工布排列第三位。

[1] 公路路基设计规范(JTJ 013-95)[M].北京:人民交通出版社，1996.

[2] 公路土工合成材料应用技术规范(JTJ 019-98)[M].北京:人民交通出版社1999.

[3] 公路土工合成材料试验规程(JTJ/T 060-98)[M].北京:人民交通出版社，1999.